中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 §2-3稳恒电流与稳恒条件 电流的定义 1.电流的形成 (1)产生电流的条件 电荷流动形成电流。在宏观范围内,电流就是大量电荷的定向运动。 存在载流子 要产生电流,一方面必须存在可以自由运动的电荷,即载流子,在多数情况中,载流子是电子或某种带电微粒,如 正、负离子。 存在迫使电荷作定向运动的某种作用 由于导体对载流子的定向运动具有阻力,要维持电荷的定向运动,这种作用是必不可少的。迫使电荷作定向运动的 作用则是多种多样的,有机械作用、化学作用、电作用等等。 (2)不同材料中的载流子 金属导体中电流的载流子是自由电子 金属中存在大量自由电子,当金属处在电场中时,自由电子因电场力而作定向运动,从而形成金属中的电流,由于 电子的质量很小,金属中的电流不会引起宏观上可观察到的质量迁移。 电解质溶液中电流的载流子是正负离子 当酸、碱、盐等电解质溶液处在电场中时,正、负离子因受电场作用而分别向相反的方向作定向运动,从而形成电 解质溶液中的电流。从电量迁移的角度看,正电荷向某一方向运动与负电荷向相反方向的运动所产生的效果是相同的 电解质溶液中的电流会引起质量迁移,一般还伴随化学反应
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 半导体材料中的载流子是电子和空穴 半导体材料中的载流子是电子(导带中)和带正电的空穴(满带中),电子或空穴在电场作用下形成半导体中的电 流。半导体中载流子的密度和定向运动与温度、光照等因素密切相关。 导电气体中的载流子是电子和正、负离子 通常,气体中没有可以自由移动的电荷,故气体没有导电性,是良好的绝缘体。但是,紫外线、X射线、宇宙线以 及火焰等所谓电离剂会使气体分子电离,产生电子和正、负离子,从而使气体具有导电性 (3)真空中的电流 热电子发射 真空中没有自由电荷,故在一般情况下真空中不会有电流。金属内部的自由电子可以在金属内部自由运动,但它们 很难进人真空形成电流。不过随着金属温度的升高,动能大的电子增多,当金属达到灼热时,动能大的电子会很多,从 而有大量电子从金属中逸出,这就是热电子发射。热电子发射使真空中出现大量载流子,在外电场作用下形成真空中的 电流。 隧道电流 真空两极管中的电流就是由阴极发岀的热电子形成的。微观粒子具有贯穿势垒的隧道效应,即使金属的温度不高, 电子仍有一定的概率贯穿势垒进入真空,从而可在特定的条件下使真空中形成微弱的隧道电流。 982年,I闓M苏黎世实验室的宾尼( Binnig)博士和罗雷尔( Rohrer)博士及同事们成功地研制出了一种新型的表 面分析仪器一扫描隧道显微镜(简称ST),13983年他们又第一次利用ST在硅单晶表面观察到周期性排列的硅原子阵列, 这是人类有史以来首次得以直接看到个别的原子。由于这一成就,他们获得了1986年的诺贝尔物理学奖 扫描隧道显微镜有一个针尖在表面上扫描,样品表面就是原子,针尖和样品之间的距离小于1纳米,就会有隧道电 流,这个隧道电流对针尖和样品之间的距离非常敏感,如果我们控制了隧道电流恒定不变,就意味着控制了针尖和样品 ∽间的距离不变,距离不变,针尖就随着表面的起伏而起伏,把针尖高低运动的轨迹记录下来,就得到表面原子的形状, 但这只是从原理上说,技术上还很复杂。那原子怎么操纵呢?扫描隧道显微镜的操纵原理是,在针尖上加一个很微弱的 电流,这个电流产生一个电场,当两个物体非常接近的时候,会有排斥力,但到一定程度它又会有吸引力,在吸引力的 范围内,一般在几个埃的时候,把针尖提上来,原子就跟着上来了,把它放到哪儿它就在哪,这个方法可操纵吸附在表 面的原子、分子
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 C,r e Cg C,R e Tunnel barrier (cysteamine Conducting monolayer substrate 图2-35扫描隧道显微镜原理示意图
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 必心 Co分子正偏压理论模拟图像 Co分子负偏压理论模拟图像 @鬱@參 化学键分辨的C分子图像 C分子旋转方向模型 及其取向畴阵列。插图为理 论模拟STM图像 图2-36中国科学技术大学研究者获得的C6分子的STM图象 2.电流的方向 由于电子服从量子力学的规律,即使处于绝对零度附近,金属中的自由电子仍必须分布在一系列能量不同的状态上因而电 子不规则运动的平均速率仍非常大,其数值约为10°m。但是,电子的平均速度为零,故电子的不规则运动并的不引起宏观上的 流。由于负电荷向某一方向的定向运动所引起的电量迁移与等量的正电荷向相反方向作定向运动所引起的电量迁移等鵁加之 传统习惯,即使在很多情况下实际的载流子是带负电的电子,但在研究电流时都规定带正电的载流子的定向运动方向作为电流的
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 二、电流强度与电流審度 1.电流强度 (1)电流强度的定义 电荷的定向运动形成电流,电流强度即单位时间内通过导体任一根截面的电量。设在小的时间间隔t通过某一根截面的电 量为Q,则电流强度为 (2)电流强度的单位 电流强度的单位为库仑/秒,称为安培,符号为A。电流强度常用单位还有毫安(103安培)和微安(10安培),符号为 mA和uA 2.电流密度 用电流强度这个物理量描述导体中有时似乎太“粗糙”。 (1)电流强度只表示导体中某一截面的总电流大小,而不能描述电流沿截面的分布情况。 (2)电流是有方向的,它指向正电荷运动的方向。导体中各点的电流不仅强弱有别,而且方向也可能不一致。为了 描述导体中各点电流的大小和方向,人们引入一个更“精细”的物理量一电流密度。 为给出电流密度的定义,考虑导体中某一给定点P,在该点沿电流方向作一单位矢量n,并取一面元AS0与n垂直,设通过 △S的电流强度为△l,则定义P点处电流密度的大小为
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